"실리콘 음극재 적용에 있어 전기차 배터리에 알맞게 부피당 에너지 밀도를 고려해야 한다"
지난달 31일 디일렉 주최로 열린 '비욘드 리튬이온, 차세대 배터리 핵심기술 콘퍼런스'에서 정훈기 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 박사는 이같이 강조했다.
실리콘 음극재는 말 그대로 배터리 핵심소재 가운데 하나인 음극재에 실리콘(Si)을 사용한 것을 뜻한다. 일반적으로 천연흑연을 음극재로 쓴다. 그램(g)당 372밀리암페어(mAh)의 에너지 밀도를 가지고 있다면, 실리콘 음극재는 최소 400mAh 이상의 에너지 밀도를 제공한다. 같은 무게라면 더 많은 에너지를 담을 수 있어 전기차 1회 충전거리 연장이 가능하다.
그러나 실리콘은 리튬이 드나들면서 부피가 급격히 팽창하고, 용량이 줄어들어 상용화가 쉽지 않다. 부피가 늘어나 실리콘 자체에서 떨어져 나온 티끌이 전해질 내부를 돌아다니면서 쇼트가 일어날 수 있다. 결국 배터리 수명이 낮아진다.
정 박사는 "부피가 늘어나는 것을 고려해 기공과 같은 공간을 만들어주는 것이 대안이 될 수 있다"면서 "실리콘 음극재 외부를 탄소와 같이 단단한 소재로 감싸주면 부피 팽창이 일어나도 제어가 가능하다"고 말했다.
NCM622(니켈·코발트·망간 비중 6:2:2) 하이니켈 양극재를 사용한 배터리에서 테스트한 결과 100사이클(충전과 방전 100회)을 사용할 수 있었다. 이때 사용한 음극재의 실리콘 함유량은 30%에 달했다. 현재 상용화된 배터리의 실리콘 함유량은 고작 5%에 불과하다.
정 박사는 "실리콘을 사용하는 의미가 있어야 하고 전기차는 무게보다 부피당 에너지 밀도를 고려해 설계가 이뤄져 한다"며 "설계가 아무리 좋아도 가격이 높아지면 상용화가 어렵기 때문"이라고 설명했다.
정 박사는 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 소재를 적용한 음극재를 개발한 바 있다. 정 박사는 "부피 단위의 에너지 밀도가 실리콘 음극재 개발의 중요한 지표"라면서 "전기차 실리콘 음극재는 손쉽게 만드는 방법까지 고려되어야 한다"고 덧붙였다.
디일렉=이수환 기자 shulee@thelec.kr
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